反应堆材料体系概述

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1、第一章反应堆材料体系概述1.材料在核电厂中的重要性2.核电厂主要部件的用材3.燃料元件和组件思考题反应堆运行工况对反应堆用材料(主要指一回路设备材料)的性能要求是什么？请根据用途给出核材料体系中主要包括那些材料？压水堆核电站的四道安全屏障是用哪些材料来保障的？核材料的核性能要求有哪些？什么是辐照效应？金属材料的辐照效应一般有哪些规律？结合能的利用—核能轻核比结合能最大结合时质量亏损大中等核重核重核中等核重核裂变质量亏损轻核轻核聚变轻核中等核质量亏损可被利用的能量1.材料在核电厂中的重要性1942年12月2日下午，美国

2、费米实验室在芝加哥大学的足球场西看台下的网球场，世界上第一座原子核反应堆“芝加哥”第一号（CP-1）开始运行,揭开了人类利用原子能的序幕。“反应堆之父”费米第一座核反应堆－－“芝加哥”第一号该反应堆是用石墨层和铀层相间堆砌的，共有57层，高6米，呈扁球形。堆中间留了许多小孔，内插镉棒，调节镉棒插入的深浅，改变其吸收中子的多少，便可达到控制反应速率的目的。反应堆运行功率：0.5瓦、瞬时200瓦可控聚变反应堆探秘氘-氚聚变释放的能量是铀－235裂变释放的能量的4.7倍Q1:材料在核电厂中的重要性表现在哪些方面？保障反应堆

3、的安全：防止堆内放射性物质外逸。四道屏障是什么？各有什么材料构成？保障核电站的运行可靠性和经济性。例如采用In690或Incoloy800合金替代早期的奥氏体不锈钢以及In600合金，克服了GS传热管的磷酸盐耗蚀、凹痕腐蚀、点蚀与应力腐蚀的敏感性，从而减少了传热管的泄漏概率，提高了运行可靠性。燃料元件包壳由奥氏体不锈钢改为热中子吸收截面仅为它10分之1的锆合金后，减少了中子损失，使元件燃耗提高了10GWd、tU，此后又经过进一步改进，Zirlo、M5或NDA新型锆合金后，从原先的33提高到52.5，65和55，换料周

4、期由12个月延长到18个月，节约铀燃料13-16%。对反应堆的设计、建造及寿命有着重要的作用对核电站的建设质量和水平，以及系列化、商品化和改进与发展息息相关。Q2:在核电站的使役条件下，反应堆材料的性能应满足那些要求？核性能：（除控制材料外）力学性能：足够的强度、韧性和耐热性化学性能：化学稳定性好，抗腐蚀,对冷却剂和燃料相容性好物理性能：导热率大、热膨胀系数小、熔点高辐照性能：对辐照不敏感，辐照肿胀和辐照引起的性能变化小，辐照产生的感生放射性小。工艺性能：冶炼、铸造、锻压、热处理和冷、热加工以及焊接性能均应良好；淬透

5、性大经济性反应堆材料的性能要求-1（1）核性能为减少中子消耗、降低235U的临界质量(堆芯临界尺寸)和浓度(富集度)，除控制材料外，堆芯所有结构材料的中子吸收截面都应该尽可能地小；为减少放射性危害，制造反应堆的材料活化截面也应该尽可能小，含长半衰期元素少，如Co。反应堆材料的性能要求-2（2）机械性能强度、塑韧性和热强性高，缺口敏感性和晶体长大倾向性小。（3）化学性能抗腐蚀、抗高温氧化能力强；点腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀倾向性小。（4）辐照性能辐照期间组织、结构应稳定，脆化、肿胀等辐照效应和PCI（芯块与包壳的相互作用

6、）小；杂质和气体合量少，纯洁度高，尤其Cu、P、S含量应尽量少，成分偏析小；晶粒和沉淀强化相要细小稳定。反应堆材料的性能要求-3(5)工艺性能冶炼、铸造、煅压、冷加工和焊接性能都应良好；淬透性大，无时效、回火脆性和二次硬化以及延迟脆性等倾向。(6)物理性能导热率大，热膨胀系数小；(7)经济性工艺简单易行，原材料来源方便，制造成本低廉。在满足上述要求基础上，应优先选用工艺成熟，使用经验丰富的材料。2.核电厂主要部件的用材核燃料包壳材料堆内构件材料反应堆压力容器材料反应堆回路材料蒸汽发生器材料安全壳材料控制材料慢化材料冷

7、却剂材料反射材料和屏蔽材料本课程强调材料的辐照效应，什么是辐照效应？材料的辐照效应的一般规律有哪些？辐照效应入射粒子与材料晶格原子的相互作用，它包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程，这将导致辐照肿胀和辐照生长和微观结构的变化，在缺陷复合时释放出潜能。这些辐照缺陷和微观结构的变化，在应力场的作用下形成力学性能和辐照蠕变，在电场和晶格振动场下与电子、声子相互作用形成物理性能的变化。结构材料受中子辐照后主要产生以下几种效应电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原

8、子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。离位效应：中子与材料中的原子相碰撞，如果传递给阵点原子的能量超过某一最低域能，这个原子就可能离开他在点阵中的正常位置，在点阵中留下空位。这个原子的能量在多次碰撞中降到不能再引起另一个阵点原子位移时，该原子会停留在间隙中成为一个间隙原子，一个空位加一个间隙原子=一个弗兰克对。当初级离